機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)

1、1緒論機(jī)器人是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造中 的一個(gè)重要組成部分。機(jī)器人顯著地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械 化和白動(dòng)化的步伐。尤其在高溫、高圧、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng) 合，應(yīng)用得更為廣泛。因而受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量人力物力加以 研究和應(yīng)用。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人。它是一種獨(dú) 立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī) 定操作。它的特點(diǎn)是除了具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶 智能的三元機(jī)械。它可以靈活運(yùn)用在工業(yè)上的各個(gè)方面，如噴漆、焊接、搬運(yùn)等。 第二類是需要

2、人工操作的，稱為機(jī)械機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操 作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球 等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)器人，主要附屬 于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外稱 為“Mechanical Hand 它是為主機(jī)服務(wù)的,由主機(jī)驅(qū)動(dòng);除少數(shù)外,工作程序 一般是固定的，采用機(jī)械編程。因此是專用的。本課題通過(guò)對(duì)通用機(jī)器人smart6. 50R的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，完成對(duì)其腕 部的設(shè)計(jì)，并借助CAD/CAE軟件完成從建模到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、應(yīng)力分析的全過(guò)程。 最終期老腕部與小臂、手部、大臂能夠協(xié)調(diào)工作

3、，能夠完成各種現(xiàn)代工業(yè)加工過(guò) 程中所要求的動(dòng)作。本課題的設(shè)計(jì)思路是：借助已有的通用機(jī)器人的腕部設(shè)計(jì)思想和方法，綜合 考慮腕部機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中所起的作用和機(jī)器人的整體技術(shù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)，然后選擇合理的機(jī)構(gòu)，確定傳動(dòng)線路，然后對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算主要參數(shù), 并對(duì)部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝，綜合評(píng)價(jià)腕部系統(tǒng)。11.1機(jī)器人組成機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。1.1.1驅(qū)動(dòng)裝!匸業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 連成一體。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。 驅(qū)動(dòng)器通常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī)），液動(dòng)

4、和氣動(dòng)裝置, 目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。1.1.2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和馳動(dòng)裝置伺服控制器組成。后者擰制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng) 器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。前者則是要根據(jù)作業(yè)要 求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動(dòng)裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時(shí)還要完成 環(huán)境狀況，周邊設(shè)備（如電焊機(jī)，工卡具等）Z間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。1. 1. 3執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運(yùn)動(dòng)部件組成。1）腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 再加上臂部的半面運(yùn)動(dòng)，就能使腕部作空間運(yùn)動(dòng)。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件， 它的制造誤差，運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性，對(duì)機(jī)器人

5、的定位精度有決定性影響。2）基座基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動(dòng)式兩種。該部件 必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。3）手部 手部它具有人手某種單一動(dòng)作的功能。由于抓収物件的形狀不同， 手部有夾持式和吸附式等形式。夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)所組成。手指是直接與物件接觸的機(jī)構(gòu)。常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部有負(fù)床吸盤和電磁吸盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方 式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔 狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵 產(chǎn)生。4）腕部 腕部與手部相連，通常

6、有3個(gè)自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是 帶動(dòng)手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。5）臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿（小臂和大腎）組成， 用以帶動(dòng)腕部作半面運(yùn)動(dòng)。31. 2機(jī)器人分類1. 2.1按用途分類1. 專用機(jī)器人專用機(jī)器人是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡(jiǎn)單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣 泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來(lái)抓収和傳送工件。它的工作程 序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè) 的需要。2. 通用機(jī)器人通用機(jī)器人是在專用機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它能對(duì)不同的物件完成多 種動(dòng)作，具有和當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨(dú)立工作的口動(dòng)

7、化裝置。它的動(dòng)作程序 可以按照工作需要來(lái)改變，大都是采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.2.2按控制形式分類1. 點(diǎn)位控制型機(jī)器人點(diǎn)位控制型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性 能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分機(jī)器人是點(diǎn)位控制型。2. 連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人這種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù) 雜的動(dòng)作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.1. 2. 3按驅(qū)動(dòng)方式分類1. 液壓機(jī)器人:輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。2. 氣圧機(jī)器人:氣源方便，輸出力小，氣圧傳動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。3. 電動(dòng)式機(jī)器人：電力驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人使

8、用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其待 點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)，傳遞，處理方便，可以采用多 種靈活的控制方案。4. 機(jī)械式機(jī)器人:工作可幕，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但動(dòng)作固定 不可變。1. 3腕部結(jié)構(gòu)選型手腕是操作機(jī)的小臂（上臂）和木端執(zhí)行器（手爪）Z間的連接部件。其功用 是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末 端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對(duì)一般商用機(jī)器人，末桿（即 與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿）都有獨(dú)立的口轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位, 那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對(duì) 于任一桿件的姿態(tài)（即

9、方向），可用兩個(gè)方位確定。如圖1.1所示圖1.1末桿姿態(tài)示意圖1.大臂2.小臂 3.末桿（L）在圖1. 1中，末桿L的圖示姿態(tài)可以看作是由處于xl方向的原始位置先繞 zl在xl ol yl平面內(nèi)轉(zhuǎn)a、B角，然后在a ol與zl組成的垂直平而內(nèi)再向上 轉(zhuǎn)B角得到的?？梢?jiàn)是由a、B兩角決定了末桿（L）的方向（姿態(tài)）。從理論上 講，如果0° WaW360° , 0° WBW360。，則L在空間可取任意方向。如果L 的自轉(zhuǎn)角Y也滿足0° WyW360° ,我們就說(shuō)該操作機(jī)具有最大的靈活度，即 可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了

10、定量的說(shuō)明 操作機(jī)抓取和擺方攵物體的靈活度，我們定義組合靈ififfi（dex）為：5上式取“加”的形式，但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_(kāi)更能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)。腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為3個(gè)百分之白，該手腕就是最靈 活的手腕。一般說(shuō)來(lái)，a、B的最大值取360。，而Y值可取的更大一些，如果 擰螺釘，最好丫無(wú)上限。腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的設(shè)計(jì)要求是:重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并 留有一定的裕量（約5%-10%,轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平 衡。131單自由度手腕SCARA水半關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單

11、白由度手腕，該類機(jī)器人操作機(jī)的手腕 只有繞垂直軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)門由度。為了減輕操作機(jī)的懸臂的重量，手腕的驅(qū)動(dòng)電 機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于轉(zhuǎn)動(dòng)為兩級(jí)等徑 輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響末端執(zhí)行器的水半方位，而該方位的調(diào)整 完全取決于腕傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這時(shí)確定末端執(zhí)行器方位的角度（以機(jī)座坐標(biāo)系 為基準(zhǔn)）將是大小臂轉(zhuǎn)角以及腕轉(zhuǎn)角之和。1.3.2兩自由度手腕兩自由度手腕有兩種結(jié)構(gòu)：1）匯交式兩自由度 手腕兩自由度手腕的末桿與小臂中線重合，兩個(gè)鏈輪 對(duì)稱分配在兩邊。BW200。，丫 $360° , dex二 0+80%+100%,如圖 1.3,2）偏置式兩門由度

12、手腕手腕的末桿偏置在在小臂中線的一邊。3 360° , y 3360, dex=0+100%+100%優(yōu)點(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊,小臂橫向尺 寸較?。ū。蒊由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒 形帶帶動(dòng)諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動(dòng)諧波使末桿L獲得a. Y兩白由度運(yùn)動(dòng)。另 一種則是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和諧波減速器連成一體，放于偏置的殼中直接帶動(dòng)L完 成角轉(zhuǎn)動(dòng)，B角則是由鏈傳動(dòng)完成。如圖13匯交式兩自由度1-法蘭2-錐齒輪組3-錐齒輪4-彈贊5、8鏈輪6軸承7-殼體1.3.3三自由度手腕三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎(chǔ)上加一個(gè)整個(gè) 手腕相對(duì)于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)白由度（

13、用角度參數(shù)a表示）而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限 制，即a、B、Y都能在0°360°范用取值，末端執(zhí)行器的靈活度 dex=100%+100%+100%,也就是說(shuō)具有百分之百的靈活度。這就是說(shuō)手爪可門任意7方向接進(jìn)物體，也可將物體轉(zhuǎn)到任意姿勢(shì)。所以三自由度是“萬(wàn)向”型手腕，可 以完成兩H由度手腕很多無(wú)法完成的作業(yè)。近年來(lái)，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人都采用 了三口由度手腕。主要有兩類：1）匯交手腕（或稱正交手腕）它是a、B、Y的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點(diǎn)。2）偏置式手腕它是a、0、丫的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點(diǎn)。這兩類手腕都是把B、丫運(yùn)動(dòng)的減速器安裝在手腕上，可簡(jiǎn)化小臂結(jié)構(gòu)，但 卻增加了手腕本

14、身的重量和復(fù)雜程度。1-3.4通用機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)選型如圖1.4所示，是匯交式手腕（或正交手腕），即a、B、Y的旋轉(zhuǎn)軸線匯 交于一點(diǎn)。可以看出，電機(jī)（1）經(jīng)錐齒輪副（3, 4）和齒型帶傳動(dòng)（9, 10, 13）, 再經(jīng)錐齒輪副（5, 6）和諧波減速器仃6）帶動(dòng)法蘭（17、機(jī)械接口）轉(zhuǎn)動(dòng)，完成末桿 （法蘭）Y的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2經(jīng)錐齒輪副（7, 8）和齒型帶傳動(dòng)（11, 12, 14）,通過(guò)諧 波減速器帶動(dòng)腕殼擺動(dòng)，完成木桿p的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)手腕又由置于小臂后部的電機(jī) （上圖未畫），經(jīng)過(guò)諧波傳動(dòng)，帶動(dòng)小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即a運(yùn) 動(dòng)。#圖1.4正交式手腕減速器的配置可以分為前置式和后置式。后置式有利于小臂

15、的平衡。前置式 加大了腕部的復(fù)雜程度和重量，對(duì)小臂乃至整機(jī)的半衡不利，但可簡(jiǎn)化整個(gè)小臂 的結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)腕部使用同步齒形帶時(shí)，只能采用這種布置，因?yàn)辇X形帶只能用 于高速級(jí)。這種布置還可簡(jiǎn)化后面三個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)，減速 器前置可以匹配小臂與手腕的兒何尺寸。如圖1.4所示，我選用：減速器的配置 為前置式是把a(bǔ)、 丫兩白由度的減速器裝在手腕內(nèi)。電機(jī)配置也可以分為前置式和后置式。前置式有一個(gè)電機(jī)配置在手腕中，其 最大優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了小臂的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)過(guò)程的軸線干擾，但加重了腕部。這種 結(jié)構(gòu)較適合于小負(fù)荷操作機(jī)。必須指出，這種結(jié)構(gòu)的手腕也屈于非匯（正）交式， 由它構(gòu)成的六白由度操作機(jī)無(wú)解析解

16、。電機(jī)后置式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都布置在腕的后 而。對(duì)于中小負(fù)載的操作機(jī)，電機(jī)可布置在臂的空腔中，而對(duì)于大負(fù)載操作機(jī), 由于電機(jī)重而且大，電機(jī)多布置在臂的后端，以減少臂的尺寸和前部重最，并與 減速器一起對(duì)小臂起平衡作用。如圖1.4所示。14機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝骨構(gòu)成， 是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一 體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批最的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高 產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的 作用。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器 特

17、長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能 力，乂有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上 說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè) 備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。：在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)共至 是破壞性的。當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，就要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。這一 過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期更加漫長(zhǎng)，更不用談對(duì)市場(chǎng) 的靈活反應(yīng)了。于是運(yùn)動(dòng)分析一虛擬樣機(jī)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。它可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì) 人員在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及受力情況，快速分析

18、多種設(shè)計(jì)方 案，進(jìn)行對(duì)物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，直到獲得最優(yōu)化的設(shè) 計(jì)方案。這種方法不但可以縮短開(kāi)發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也得到了很大的 捉高。92末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器是裝在機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械接口上，用于使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù) 而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)器人的用途密切相關(guān)，最常見(jiàn)的 有用于抓拿物件的夾持器;用于加工工件的銃刀，砂輪和激光切割器:用于焊接， 噴涂用的焊槍，噴具；由于質(zhì)量檢測(cè)的測(cè)星頭，傳感器。一般說(shuō)來(lái)，一種新的作 業(yè)需要一種新的末端執(zhí)行器，而一種新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)乂往往為機(jī)器人開(kāi)辟 一種新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，末端執(zhí)行器的分析和設(shè)計(jì)已形成了一個(gè)專門領(lǐng)域

19、。這 里只簡(jiǎn)耍介紹幾種常用的抓拿物件的末端執(zhí)行器。2.1夾持器夾持器通常有兩個(gè)夾爪。根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)形式，夾爪乂可分為回轉(zhuǎn)式和平移 式兩種類型。1）斜楔杠桿式夾持器。當(dāng)施以力P時(shí)，楔角為a的斜楔前進(jìn)，使夾爪閉合， 夾緊物件，且當(dāng)a小于自鎖角吋，即使B消失，被夾物件也不會(huì)滑脫。當(dāng)施以相 反方向的力時(shí)，斜楔后退，夾爪在彈贊的作用下打開(kāi)。由于夾爪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而 回轉(zhuǎn)軸乂是固定的，故當(dāng)夾持不同克徑的物件時(shí)，物件的中心線將沿對(duì)稱軸線移 動(dòng)，形成定位誤差。故使用這種夾持器時(shí)，機(jī)器人的應(yīng)用程序必須有補(bǔ)償功能。2）有定位補(bǔ)償?shù)母軛U式夾持器。這種夾持器的夾爪回轉(zhuǎn)銷軸可借助左右螺旋 副平移其相對(duì)位置，所以通過(guò)調(diào)整螺

20、旋可對(duì)不同直徑的物體保持中心位置不變。3）半行移動(dòng)式夾爪。當(dāng)施以圧力P時(shí)，齒輪在下條上滾動(dòng)，并以兩倍的移動(dòng) 速度帶動(dòng)上齒條移動(dòng)，兩個(gè)齒條分別與兩個(gè)夾爪聯(lián)接。帶動(dòng)夾爪平行地移動(dòng)，起 到夾持物件的作用。2. 2擬手指型執(zhí)行器人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結(jié)構(gòu)，就能制造出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。 但由于人手自由度較多，驅(qū)動(dòng)和控制都十分復(fù)雜，所以到目前為止，只制造出了 一些原理樣機(jī)，離工業(yè)應(yīng)用還有一定差距。下而介紹兒種教有特色的擬手指型手 抓。1） UTACH/MIT手抓。它有4個(gè)手指，可實(shí)現(xiàn)對(duì)握，每個(gè)手指有3個(gè)曲伸關(guān) 節(jié)和一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，共16個(gè)口由度。各關(guān)節(jié)采用繩輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器后置。由于 拇指對(duì)置，所

21、以4個(gè)手指不能實(shí)現(xiàn)并學(xué)操作，即4個(gè)手指不能放在一側(cè)實(shí)現(xiàn)全握 式的抓拿物體。2）3指手爪。第一指相當(dāng)于拇指，只有一個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)和一 個(gè)開(kāi)合關(guān)節(jié)，其他兩指都有兩個(gè)曲伸關(guān)節(jié)，故共有11個(gè)白由度，也是驅(qū)動(dòng)器后 置。3）雙拇指手爪。每個(gè)手指都有3個(gè)曲伸關(guān)節(jié)。其中，外面兩指有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng) 白由度，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以和中間指對(duì)置，也可與中指處于同側(cè)（并掌）；中指無(wú)轉(zhuǎn) 動(dòng)自由度，故該手共有14個(gè)口由度。該手可以抓取或握取物件，由于使用了超 小型電機(jī)和減速器，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器前置配置（即驅(qū)動(dòng)器、減速器與手指配在一起）， 結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件安裝于機(jī)器人的機(jī)械接口上。2. 3吸式執(zhí)行器吸式執(zhí)行器是目前應(yīng)用較

22、多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運(yùn)機(jī)器人。該類執(zhí) 行器可分磁吸和氣吸兩類。1）磁吸式手爪。它利用電磁場(chǎng)力和袋裝可變形式磁粉，可以吸住具有任意表 面形狀的磁性物件。2）氣吸式手爪。它下端有一個(gè)橡膠吸盤，上而有彈贊緩沖壓下裝置，靠吸盤 內(nèi)腔的真空度吸住物件。形成真空的方法通常有兩種。一種靠真空泵，一種靠氣 流形成負(fù)壓。前者工作可靠，吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但成本較離;后者只需壓力為0. 4IPa 的普通工業(yè)氣源，利用伯努利原理（文多利管），在氣流高速噴射時(shí)即可形成所耍 求的負(fù)圧，時(shí)吸盤吸住物體，因不需專用真空泵，故成本較低，目前應(yīng)用較廣泛。本課題所選擇的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可以回轉(zhuǎn)的夾持器。通過(guò)法蘭盤與夾持器固 聯(lián)，

23、利用腕部和小臂的旋轉(zhuǎn)，以及外部的擺動(dòng)帶動(dòng)末端夾持器在空間做任意的運(yùn) 功。3腕部設(shè)計(jì)3.1手腕結(jié)構(gòu)的選擇Smart 6. 50腕部的主要技術(shù)參數(shù)為:自由度3最大持重10KgI軸±180°144 (c )/s200N*m11軸±115°136 (c )/s150N*mIII軸±180°138(° )/s100Nm本課題仿制Smart 6. 50R機(jī)器人的腕部進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用機(jī)器人的手腕是三 I由度的，圖3.1是其傳動(dòng)原理圖，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其 傳動(dòng)鏈分成二部分，一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，三個(gè)電機(jī)的輸出通過(guò)齒形帶傳

24、動(dòng) 分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部。（1）臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 臂部外套筒與手腕殼體通過(guò)端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動(dòng) 整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）腕擺運(yùn)動(dòng) 臂部輸出的空心軸通過(guò)一組錐齒輪組（14）和一組同步齒形 帶（12、13）以及諧波減速器（11）帶動(dòng)固定在套筒上的端蓋一起擺動(dòng)。（3）手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 如圖3. 1,臂部心軸通過(guò)鍵聯(lián)結(jié)帶動(dòng)錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動(dòng)，然 后通過(guò)同步齒形帶（4、6）帶動(dòng)套筒的內(nèi)部中心軸，中心軸的另一端通過(guò)一對(duì)錐 齒輪組（9）傳動(dòng)，帶動(dòng)固定套筒（10）內(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。133. 2傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)

25、算3. 2.1 選擇電機(jī)假設(shè)手部的末端的持重是10Kg,腕心距機(jī)械輸出借口長(zhǎng)度為200mm,腕轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)半徑為100mm.I軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)W.二x3.14 = 2. 512rad/s1R=100mmF = 10x10 =100NT 二F RP = F R Wl=100x2. 512x100=25.12W=0.95*x0. 8x0. 95x0. 99x0. 98=0.665口冬=0.98r)_ = 0.95= 0.80吋 0.99葉0. 95所需電機(jī)功率P/P/ru*&*=25.12 /0. 665=37. 77WII軸為腕擺運(yùn)動(dòng)L二200mmF=100NT 二F L=20. ON m=2

26、. 372rad/sP=T W,=47. 44W=0.952 xO .99x0.98x0.95xO.80=0. 665所需電機(jī)功率為PP/譏=47. 44/0. 665 =671. 33W考慮到系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程中，同步齒形帶傳動(dòng)所需的功率，以及要求腕部的結(jié)構(gòu)要求緊湊，所以I軸傳動(dòng)所需電機(jī)5和II軸傳動(dòng)所盂電機(jī)6如下：型號(hào)功率(KW)轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)矩(N -m)額定電流(A)額定電壓(V)TYSZ-7 5 63s0. 7530002.43. 08220T Y S Z-5 5 63s0. 5520002.32.22203. 2. 2分配系統(tǒng)傳動(dòng)比和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算I軸為腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)腕轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比

27、末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速=22. 67r/minv >5017#系統(tǒng)總的傳動(dòng)臂為i= 88. 22#取冷=88. 22時(shí)】=1電機(jī)6的輸出功率F 1 =0. 50Kw帶輪 5 轉(zhuǎn)速 n . = 2000r/minnW.= X 3.14 = 104. 67rad / s * 60=0. 50 x 0. 95 x 0. 98 x 0. 99=0. 460Kwx0.460=2. 20N m5 2000帶輪 6 轉(zhuǎn)速nfr=n-=2000r/minW6=W5=104. 67rad/sP&=P5 F 專=0. 460x0. 95#=0. 437 KwTHSrx0-437=2-09N，m腕轉(zhuǎn)軸I軸P

28、【二PE汀逹=0. 437x0. 80x0. 95=0. 332Kwn j =22. 67r/minW,=l. 186rad/s#22.67xO.332#=139. 85N m腕擺傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比末端套筒的轉(zhuǎn)速n «=T-7-=24r/min系統(tǒng)總的傳動(dòng)比為i嚴(yán)警=125取I諧=50 =2.5電機(jī)5的輸出功率P , =0. 75Kw帶輪3轉(zhuǎn)速n =譬=1200r/minwX 3.14=62. 8rad / sP 產(chǎn)p f J=0. 75 x 0. 95 x 0. 98 x 0. 99 x 0. 95=0. 656Kw空竺的 656=5. 22N M312 00帶輪 4 轉(zhuǎn)速n4=n3

29、=1200r/minW4= w 疔62. 8rad/s耳書J=0. 656x0. 95=0. 623KwT4SFx0-62S=4- 96Nm腕擺軸II軸-0. 623x0. 80=0. 498Kwn T=24r/minW：=2 512rad/s19#TnxO.498#=198N m#I軸腕轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)i.汀許88. 22取 i =88 22i =1i _ =1i 亠=i秋請(qǐng)°°茗苛1丄詫1迄2腕擺傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比末端套筒的轉(zhuǎn)速n g=T；：=24r/min系統(tǒng)總的傳動(dòng)比為i迫=琴=125取丨謂=50i “=2.5i = 1i = 1嗨1#4錐齒輪設(shè)計(jì)4.1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù)

30、錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250280HBS。取 m=2. 5 Za = Z: =40& t = 5 :=45°d=m z=90 mm dx=d2f錐距 R=- Rj+dg =63. 64mm 2刑1 Lha=2. 5 h 尸3da=d+2ha cos & =93. 5mmdf=d2hf cos § =85. 8mmb=10mmdm=d(l-0. 5b/R) =83cot 8 &今8 =2. 7°cot 9 f=8 尸3. 2°r R214. 2輪齒的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算忽略齒面間摩擦力，把輪齒上的分布作用力合成為集中

31、法向力Fr,在把分解為三個(gè)互相垂直的力耳，即圓周力陷、徑向力碎和軸向力F盯錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為",中點(diǎn)分度圓直徑為可得： 片二2*328. 7NFr=Fctan Q cos 卜=86. 7NFFtan Q sin =86. 7N（I；二 14. 73N m）一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認(rèn)為在嚙合過(guò)程中載荷僅由一對(duì)相 嚙合的齒來(lái)承擔(dān)，故可以不考慮齒間載荷分配問(wèn)題，即可以忽略重合度的影響， 故載荷系數(shù)K=KKVK：=1.88Ka=1. 6 K 3=1. 15 Kv=l. 02 直齒錐齒輪齒而接觸疲勞強(qiáng)度條件為§ H=ZHZEJ=460 MPa2XT, vu*-l ubd(l

32、-0 5C5r)2§ 吒s；二：V Y“Y36792KT,MP1#MS】6 k=666. 5MPa$ j=414 MPa所以可知此齒輪組能夠滿足運(yùn)動(dòng)的要求。錐齒輪組2的主要技術(shù)參數(shù)為m=3= Z2 =15§i= §2=45°#d=m z二45mmd二d二二d23#錐距 R二屮/+% =31. 8mm h.=3 5 h尸4. 2 d&=d+2ha cos § =50mm*二d-2hpcos § =4Ommb=10mm#cot e 曲0a=5. 38°#COt 9 f=R#5選擇帶輪和齒形帶5.1帶輪的選擇根據(jù)所搜集的資

33、料，考慮到整個(gè)系統(tǒng)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)特性，依據(jù)圖3. 2,梯形齒同步帶、輪選型圈#is50.00040 000轉(zhuǎn)分30.00010.0005.0003.4S02.5001.7501.5001.100B70690SIS液300200!& PKP=a 廈iifhhbbhbsiiiIIMI嗎夏BOBBIT*#1000.010.02 0 03 0 050.10.20 30 61020 3060100200 300額定功率KW25#圖3. 2帶輪 6 的轉(zhuǎn)速 n=2000r/minP&=0. 437Kw丁6二0. 209N m選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L(zhǎng)型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：#32L 050 A

34、FZ 二 32選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號(hào)為:節(jié)距二9. 525mm節(jié)徑 d= 97. 02mm#外徑 dc= 96. 26mm檔邊內(nèi)徑db=90mm#檔邊厚度h=l. 5mm檔邊直徑df二102mm#52齒形帶的設(shè)計(jì)L型同步齒形帶的機(jī)構(gòu)尺寸如圖，節(jié)距=9. 525mm帶輪5、6傳動(dòng)的功率為：P=0. 460Kw主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n-=2000r/min從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速nfr=2000r/min傳動(dòng)比1=1設(shè)計(jì)功率Pd=KAPKa=1. 5Pd=l. 5x0. 46=0. 69Kwjj J|>Pb=9. 525mm帶輪齒數(shù)"=30Z&=30帶輪節(jié)圓直徑d產(chǎn)禁二91.0d2=di速度V二半牛燈丄49. 52m/s初定軸間距